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01-03-2022    La integración de la robótica y la biología mejora la funcionalidad de la mano protésica.

La ASU y la Clínica Mayo llevan la tecnología SoftHand Pro a una nueva fase con un amplio ensayo clínico financiado por los NIH

Veintisiete huesos, 27 articulaciones, más de 30 músculos y más de 100 ligamentos componen la mano humana.

Coordinando estos componentes con nuestro cerebro y sistema nervioso, las manos son capaces de hacer cosas increíbles. Sin embargo, algo que los científicos aún no han podido hacer con sus propios cerebros y manos es diseñar una prótesis eficaz para los miles de personas afectadas por la pérdida de un miembro superior...

"Hay muchas manos (protésicas) desarrolladas por la investigación que son hermosas obras maestras de la ingeniería. El problema es que a menudo no salen del laboratorio", dice Marco Santello, profesor de ingeniería biomédica en las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton de la Universidad Estatal de Arizona. "Hay una enorme brecha entre la construcción de algo muy elegante y sofisticado y algo que a alguien le gustaría utilizar en sus actividades diarias".

Santello y un equipo de investigadores interdisciplinarios han estado desarrollando la SoftHand Pro -la primera prótesis que combina tecnologías robóticas blandas y la biomecánica natural de la mano humana- para abordar las necesidades no satisfechas de funcionalidad, versatilidad y robustez en una prótesis de mano y mejorar la calidad de vida de las personas.

"Si los usuarios de prótesis no están satisfechos con el funcionamiento de una prótesis, confían en utilizar constantemente su miembro intacto", afirma Santello. "Sin embargo, hay muchas actividades que hacemos con más de una mano. Así que, si tienen una mano protésica en la que pueden confiar para funcionar de forma fiable y constante, pueden hacer (más) actividades que les interesan."

Tras años de investigación de prueba de concepto y pruebas preliminares, Santello colabora con Kristin Zhao, directora del Laboratorio de Tecnología Asistencial y Restauradora de la Clínica Mayo de Rochester (Minnesota), en un proyecto R01 financiado por los Institutos Nacionales de la Salud con 3,2 millones de dólares para llevar a cabo un ensayo clínico que evalúe y compare el rendimiento de SoftHand Pro con el de una mano protésica disponible en el mercado.

"Los ensayos clínicos son una prioridad para nosotros como investigadores traslacionales porque nos dan la oportunidad de saber si nuestras novedosas tecnologías satisfacen las necesidades de los pacientes", afirma Zhao, coinvestigador principal del proyecto junto a Santello. "Además, este ensayo clínico ejemplifica un potente enfoque científico en equipo que reúne a equipos con experiencia en robótica, biomecánica, control neural del movimiento y atención clínica a pacientes con pérdida de extremidades."

Esta investigación recibió inicialmente una de las tres subvenciones de financiación inicial de Team Science -una asociación entre la ASU y la Clínica Mayo en la que un equipo multidisciplinario compuesto por un investigador de la ASU y otro de la Clínica Mayo colaboran en soluciones innovadoras de atención médica-, así como financiación adicional de subvenciones R21 de los Institutos Nacionales de Salud para la investigación en fase inicial.

Reinventar la mano


En el laboratorio, las prótesis de mano suelen ser muy complejas, requieren mucho mantenimiento o son propensas a romperse. Muchas prótesis de mano comerciales tienen sus propios inconvenientes, como su gasto, peso y dificultad para repararlas.

"El mayor punto débil es que los usuarios no suelen estar satisfechos (con las prótesis comerciales) porque el abanico de funciones que se pueden realizar suele ser limitado", dice Santello, que también es director de la Escuela de Ingeniería de Sistemas Biológicos y Sanitarios, una de las siete Escuelas Fulton.

Con muy pocas articulaciones, una mano protésica es más fácil de controlar, pero no puede hacer todo lo que los pacientes desearían que hiciera. Más articulaciones aumentan la funcionalidad, pero pueden hacer que el control de la mano sea demasiado complejo. Sin embargo, Santello afirma que la solución debe ir más allá de la estructura mecánica de la mano protésica.

Durante su trabajo postdoctoral en neurociencia, Santello observó que, aunque la mano tiene muchas articulaciones, las restricciones biomecánicas de la mano humana y las limitaciones neuronales del sistema nervioso central dan lugar a sólo tres o cuatro patrones principales de coordinación del movimiento de los dedos, conocidos como sinergias. Estos patrones, extraídos de las formas de la mano utilizadas para agarrar y utilizar un amplio conjunto de objetos cotidianos, pueden considerarse los "bloques de construcción" fundamentales que subyacen a todas las formas posibles de la mano.

Este concepto llamó la atención de los investigadores de robótica, entre ellos Antonio Bicchi, que es profesor de robótica en la Universidad de Pisa, científico principal del Instituto Italiano de Tecnología de Génova (Italia) y profesor adjunto en la Escuela de Ingeniería de Sistemas Biológicos y Sanitarios de la ASU; y Manuel G. Catalano, investigador del IIT y afiliado a la Clínica Mayo. En su tesis doctoral, Catalano, asesorado por Bicchi y Santello, desarrolló e investigó el concepto de diseño de la SoftHand Pro, lo que le valió el reconocimiento internacional con el Premio de Doctorado Georges Giralt 2014 a la mejor tesis doctoral en robótica.

"La gente que trabaja en robótica pensó que este era un concepto realmente genial porque hasta ahora, hemos estado construyendo manos robóticas con tantos motores como articulaciones, lo que hace que el control sea muy, muy difícil", dice Santello. "Pero ahora, si se puede diseñar la mano (protésica) de forma que se mueva según patrones biológicos limitados de movimiento de los dedos, se simplifica drásticamente el control sin comprometer necesariamente la función y la versatilidad".

Utilizando el concepto de sinergias de la mano, Bicchi y su equipo diseñaron y construyeron los prototipos de lo que ahora es la SoftHand Pro.
 

Suave, robusta y versátil


Combinando la robótica blanda, la biomecánica y la neurociencia, la SoftHand Pro ha surgido como una prótesis flexible con 19 articulaciones controladas por un único motor que manipula las articulaciones según los patrones de movimiento naturales de la mano. Utilizar un solo motor para controlar tantas articulaciones es una característica única en comparación con otros diseños de prótesis. La SoftHand Pro también tiene más articulaciones, también conocidas como grados de libertad, que otras manos protésicas disponibles en el mercado, y es lo más parecido a los grados de libertad de la mano humana.

La SoftHand Pro funciona con tecnología mioeléctrica que utiliza las señales eléctricas generadas en el tejido restante de los músculos del antebrazo de una persona para controlar la mano protésica. Santello afirma que lo único que tiene que hacer el usuario es pensar en cerrar la mano protésica y, al contraer los músculos del antebrazo, ésta se amoldará a un objeto utilizando el concepto de patrones de movimiento constreñidos, no muy distinto de lo que ocurre al utilizar una mano orgánica.

"Cuando usas tu propia mano, no piensas que el pulgar tiene que flexionarse 10 grados y luego este dedo 25 grados y el siguiente cinco grados; afortunadamente, no es así". dice Santello. "A menudo, tienes una aproximación de la forma del objeto en la forma de tu mano, y utilizas la conformidad de la mano para hacer el resto por ti y dejas de cerrar en cuanto ves o sientes que tienes un contacto seguro. No se necesita un algoritmo complejo para elegir una forma de mano determinada para un objeto específico, ni el usuario de SoftHand Pro tiene que ser consciente (del movimiento de los dedos)".
 

En el caso de una prótesis, el usuario practica este movimiento para que se convierta en algo natural ver un objeto y agarrarlo con la prótesis.

Incluso con un mecanismo de control tan sencillo, la SoftHand Pro ofrece versatilidad para este movimiento. Su flexibilidad permite que la mano se adapte a muchas formas y permite movimientos como coger un objeto pequeño de una mesa o coger un libro de una estantería, movimientos con los que otras prótesis tendrían problemas debido a su rigidez o a las limitaciones de su diseño mecánico.

Qiushi Fu, uno de los antiguos estudiantes de doctorado e investigadores postdoctorales de Santello que ahora es profesor asistente en la Universidad de Florida Central, ayudó a realizar las primeras pruebas de la SoftHand Pro con sujetos de control que tienen las manos intactas. También colaboró en el desarrollo de los algoritmos y protocolos de control robótico bioinspirados del SoftHand Pro que ampliaron y mejoraron sus capacidades.

"El prototipo de SoftHand Pro era un concepto relativamente nuevo y ofrecía la oportunidad de explorar diferentes direcciones. Yo estaba investigando el control de robots bioinspirados (como estudiante de doctorado), y me ayudó a ampliar mis conocimientos sobre prótesis e interfaces hombre-máquina", dice Fu. "Demostrar que nuestro algoritmo de control puede ayudar a los sujetos a transportar objetos frágiles fue un logro importante".

Además de proporcionar una mayor funcionalidad, la naturaleza flexible de la SoftHand Pro también es más resistente a la rotura. Al poder flexionarse, extenderse y amoldarse al entorno, las articulaciones mecánicas robóticas blandas tienen menos probabilidades de romperse durante los movimientos realizados por las articulaciones orgánicas.

Validación del diseño


Santello ha aportado los fundamentos científicos básicos de la tecnología a la SoftHand Pro y ha trabajado con Bicchi y otros en Italia para probar el dispositivo. Ahora, Zhao y la experiencia biomecánica y clínica de la Clínica Mayo ayudarán al equipo a evaluar si la prótesis mejorará el rendimiento de agarre y manipulación en comparación con una mano protésica multidigital disponible en el mercado, llamada i-limb, de la empresa de ortopedia Össur.

"Cuando surgió la oportunidad de trabajar en un proyecto de prótesis, la Clínica Mayo fue mi primera opción", dice Santello, quien ha fomentado la colaboración entre la institución y su escuela durante la última década.

El equipo de la ASU y la Clínica Mayo, con el apoyo del equipo del Instituto Italiano de Tecnología, coordinado por Bicchi y Catalano, está asumiendo ahora una nueva y compleja fase del proyecto a través de un extenso ensayo clínico en varios lugares que comenzó en agosto de 2021. Trabajarán con 36 individuos con pérdida de la extremidad superior durante cinco años para comparar la SoftHand Pro con la alternativa comercial. Los sujetos participarán en pruebas de laboratorio con ambas prótesis y utilizarán cada una de ellas en casa para las actividades diarias durante ocho semanas.

Comparar el uso de dos prótesis durante un largo periodo de tiempo en escenarios reales fuera del laboratorio "añade una comprobación más rigurosa de la realidad", dice Santello. "Eso es lo que nos entusiasma. Existe la oportunidad de influir significativamente en la calidad de vida" de las personas con pérdida de miembros superiores que utilizan prótesis.

Esta fase de la investigación es posible gracias a la colaboración con la Clínica Mayo de Rochester (Minnesota), que proporcionará acceso a un equipo de expertos en prótesis, terapia ocupacional y rehabilitación física, además de una clínica de rehabilitación de prótesis y amputados, la Clínica Hanger.

"El equipo de la Clínica Mayo aprovechará su experiencia integrada en la práctica clínica, la investigación y la educación para ayudar a llevar a cabo este ensayo clínico fundamental que tiene nuestro valor principal en el centro: responder a las necesidades del paciente", dice Zhao. "Estamos entusiasmados de asociarnos con los equipos de los doctores Santello y Bicchi en este importante esfuerzo".

"Es un proyecto de alto riesgo y alta recompensa", dice Santello. "Creemos firmemente que existe la oportunidad de mejorar la aceptación de las prótesis, mejorar la vida y permitir que los usuarios de prótesis sean más funcionales, más independientes y puedan hacer más cosas de una manera mejor. Tenemos que esperar a los resultados, pero basándonos en lo que sabemos hasta ahora, es muy probable que los resultados de nuestro proyecto puedan tener un impacto."

 

Texto traducido de Monique Clement- (Lead communications specialist, Ira A. Fulton Schools of Engineering)

 


 


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